慈建發(fā)，劉獻(xiàn)博，李 軍,3，楊宏偉，柳貢慧，文 濤

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 四川 德陽(yáng) 618000；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 新疆 克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

射孔完井是目前石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的完井方式，射孔彈爆炸后產(chǎn)生的巨大壓力、極高的溫度瞬間壓垮、熔化藥型罩，使藥型罩形成金屬射流侵徹套管、水泥環(huán)、巖石層，從而形成儲(chǔ)層與井筒的物質(zhì)通道[1-3]。同時(shí)射孔會(huì)造成套管-水泥環(huán)的損傷，嚴(yán)重時(shí)直接影響油氣井施工安全及油氣井生命周期[4-6]。

目前，針對(duì)射孔完井中套管損傷的問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，取得了較為豐碩的成果。針對(duì)射孔過(guò)程中套管強(qiáng)度及安全性問(wèn)題，應(yīng)用振動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，考慮套管軸向受沖擊載荷作用，揭示了套管受到轟爆波沖擊作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征[7-10]。相關(guān)學(xué)者針對(duì)射孔參數(shù)優(yōu)化，考慮射孔孔密、射孔相位角、孔眼直井等射孔參數(shù)，建立射孔完井后產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型以及套管強(qiáng)度模型， 研究射孔參數(shù)對(duì)于產(chǎn)能、套管強(qiáng)度的影響，完成射孔完井設(shè)計(jì)[11-14]。在進(jìn)行射孔參數(shù)優(yōu)化時(shí)，首要考慮的就是射孔對(duì)套管的影響，射孔過(guò)程是一個(gè)能量瞬間釋放的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程必然對(duì)套管造成損傷，同時(shí)套管的壽命直接影響油氣井的生命周期。但是射孔的過(guò)程比較復(fù)雜，僅僅通過(guò)使用相關(guān)理論模型進(jìn)行射孔參數(shù)優(yōu)化，與實(shí)際的套管損傷往往存在較大的差距。本文采用數(shù)值模擬的方式，基于套管損傷研究，對(duì)射孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為現(xiàn)場(chǎng)射孔參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 聚能射孔數(shù)值模擬研究

1.1 幾何模型

通過(guò)數(shù)值仿真的方式建立聚能射孔的動(dòng)力學(xué)模型。模型主要由射孔彈、套管、水泥環(huán)、巖石組成，如圖1所示。套管、水泥環(huán)的厚度分別為9.17、30 mm，巖石50 mm，模型整體高度200 mm。

圖1 射孔幾何模型

井下射孔彈被擊發(fā)后產(chǎn)生的巨大壓力、極高的溫度瞬間壓垮、熔化藥型罩，使藥型罩形成金屬射流侵徹套管、水泥環(huán)、巖石層，從而形成儲(chǔ)層與井筒的物質(zhì)通道。藥型罩形成金屬射流后，金屬射流由射流杵和杵體組成。

1.2 套管應(yīng)力特征分析

動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算中，選用的套管尺寸、材料等都是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中較為普遍的，選擇的套管通徑139.7 mm，壁厚9.0 mm。套管材料密度7.8 g/cm3，楊氏模量為207 GPa，泊松比為0.3，材料屈服應(yīng)力為758 MPa。

聚能射孔彈瞬間爆炸，將藥型罩迅速壓縮，這就是壓垮后的藥型罩呈現(xiàn)流體狀態(tài)，但是密度卻高于固體狀態(tài)下的藥型罩密度的原因。壓垮后的藥型罩形成的金屬射流的杵體、射流杵部分的密度最大，由伯努利方程可知流體密度升高后，射流杵的動(dòng)能增大，具備更大的穿透能力。

以在套管上形成的射孔中心為原點(diǎn)，研究射孔周圍應(yīng)力變化特征。套管上形成的射孔呈現(xiàn)橢圓狀，射孔周圍形成套管應(yīng)力集中帶，應(yīng)力主要集中在形成的射孔的長(zhǎng)軸方向。套管上的應(yīng)力隨著距射孔中心的距離增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，在射孔長(zhǎng)軸方向上最外層形成應(yīng)力也必然最小。但是，兩發(fā)射孔彈之間的距離、相位角會(huì)對(duì)這種應(yīng)力分布造成重大干擾：兩發(fā)射孔彈距離較近時(shí)，兩發(fā)射孔彈中間的套管部分會(huì)受到兩個(gè)方向上的應(yīng)力疊加作用，形成較為嚴(yán)重的套管損傷區(qū)域，因此優(yōu)化射孔孔密、相位角對(duì)于研究套管損傷具有重要意義。

2 射孔參數(shù)優(yōu)化

2.1 射孔孔密參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)開(kāi)展動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算，考慮射孔彈開(kāi)口直徑，確定射孔孔密最大值為23孔/m，建立孔密區(qū)間為10～23孔/m的射孔計(jì)算模型，開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)化射孔孔密。統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)射孔孔密下的應(yīng)力云圖，如圖2所示?？酌転?0孔/m時(shí)，套管應(yīng)變特征性較弱，這是由于射孔彈之間的距離較遠(yuǎn)，套管損傷也最小，但是相應(yīng)的射孔完井下的產(chǎn)能也最低，相反孔密為23孔/m時(shí)，套管應(yīng)變較大，套管損傷嚴(yán)重。

圖2 不同孔密下套管應(yīng)變曲線

孔密優(yōu)選時(shí)需要考慮射孔彈間的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。從云圖上可以看出，射孔孔密為16孔/m時(shí)，射孔彈間開(kāi)始出現(xiàn)輕度應(yīng)力疊加現(xiàn)象；射孔孔密為18孔/m時(shí)，射孔彈間出現(xiàn)的應(yīng)力疊加現(xiàn)象開(kāi)始形成面狀疊加。

隨著射孔孔密增加，射孔完井產(chǎn)能增加，同時(shí)射孔孔密增加，套管強(qiáng)度逐漸降低，基于這兩個(gè)方面的考慮，最優(yōu)射孔孔密應(yīng)確定為16孔/m。

2.2 射孔相位角參數(shù)優(yōu)化

在實(shí)際射孔參數(shù)設(shè)計(jì)中，當(dāng)相位角增大到一定值時(shí)，就已經(jīng)滿足工程中套管損傷最小化的需求，而滿足套管損傷最小化的相位角閾值即為最優(yōu)相位角。本節(jié)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算中，采用的射孔孔密盡可能小，這樣優(yōu)化后的相位角可以適用任意射孔孔密，基于這個(gè)考慮，取射孔孔密為20孔/m，相位角區(qū)間0～75°?？酌芤欢〞r(shí)，隨相位角的增加，射孔間的距離也逐漸增加；當(dāng)相位角一定時(shí)，隨孔密的增加，射孔間的距離減小。

射孔相位角優(yōu)選時(shí)依然考慮射孔彈間的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，計(jì)算云圖如圖3所示。

圖3 射孔間距離分布

射孔相位角為0時(shí)，射孔彈間的應(yīng)力疊加現(xiàn)象極為明顯，并且應(yīng)力疊加后的應(yīng)力達(dá)到了套管嚴(yán)重?fù)p傷的程度。隨相位角的增加，射孔彈間的應(yīng)力疊加范圍逐漸減小，并且在45°時(shí)，射孔彈間的疊加后的應(yīng)力小于套管損傷的閾值。相位角45°后，射孔彈間的應(yīng)力疊加明顯減小，同時(shí)考慮相位角與產(chǎn)能、套管強(qiáng)度的關(guān)系，最優(yōu)相位角為45°。

射孔完井中，射孔彈對(duì)套管造成損傷無(wú)法避免，通過(guò)進(jìn)行射孔參數(shù)的優(yōu)化盡可能降低套管損傷情況。結(jié)果表明，在計(jì)算過(guò)程中，套管上兩射孔之間中心位置處出現(xiàn)的最大疊加應(yīng)力為580 MPa，射孔間中心位置處的疊加應(yīng)力始終在套管屈服應(yīng)力以下，套管損傷得到減弱。

3 結(jié) 論

文章主要進(jìn)行套管損傷分析的射孔參數(shù)的優(yōu)化，通過(guò)分析套管上形成的射孔之間中心位置處的應(yīng)力特征，研究射孔完井過(guò)程中套管損傷問(wèn)題，對(duì)射孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析：

1)聚能射孔侵徹套管過(guò)程中，金屬射流造成套管直接損傷，而相鄰射孔彈間金屬射流侵徹套管產(chǎn)生的應(yīng)力，以射孔為中心以環(huán)狀分布的特征向外擴(kuò)展，相鄰射孔彈間的應(yīng)力出現(xiàn)疊加造成這部分套管損傷，基于此，考慮相鄰射孔彈間的應(yīng)力疊加，完成射孔參數(shù)優(yōu)化，具有一定的合理性。

2)通過(guò)開(kāi)展射孔孔密區(qū)間為10～23孔/m的動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算，考慮射孔彈間應(yīng)力疊加現(xiàn)象，對(duì)射孔孔密進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)化后的射孔孔密為16孔/m。

3)通過(guò)開(kāi)展射孔相位角區(qū)間為0～75°的動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算，考慮射孔彈間應(yīng)力疊加現(xiàn)象，對(duì)射孔相位角進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)化后的射孔相位角為45°。